phasonの日記： 外部に影響を与えない磁場遮蔽材

DC Magnetic Cloak
S. Narayana and Y. Sato, Adv. Mater., in press　(2011).

地磁気や周囲の装置の作り出す磁場を遮蔽することは，精密測定の分野では必須である．これらの分野では，装置全体であるとか，サンプル近傍のセンシティブな測定系を磁場遮蔽材で覆うことで外部磁場の影響を排除している．こういった遮蔽材として主に用いられるのは，磁場を完全に除外する第一種超伝導体であるとか，逆に磁場を非常に良く通す透磁率の高い材料である．前者は磁場の排除は完璧なのであるが，なにぶん超伝導転位温度以下に下げねばならず液体ヘリウムレベルの冷却が必要となるので，低温かつ小さなサンプルスペースを覆うような用途でのみ使用される．後者は磁場の排除には限界があるものの容易に利用できることから様々な装置で利用されており，例えばMu Metal（もしくはμMetalと表記する場合もあり）と呼ばれる合金（まあこの呼び名は登録商標だが）などがこれにあたる．こちらはいわば電場を金属板で遮蔽するのと一緒で，この合金内を磁場が非常に通りやすい事を使い，Mu Metalで対象物を覆うと，外部から来た磁場が通りやすいMu Metal部分に進入，そのままMu Metal内を通り抜けて裏側から出て行く事で内部への磁場の進入を防ぐ．つまり，反発する超伝導体に対し，引きつける高透磁率材料，というわけだ．

ところがこれらの材料，磁場を反発したり引きつけたりするため，シールドの外部における磁場の形状に大きな変化をもたらす．例えば超伝導シールドであれば，弾き出された磁場がシールド材の近傍を迂回するため，シールドの周囲では磁束密度が高くなる．逆にMu Metalなどは磁場を引き寄せ内部に吸い込むため，周辺の磁場は弱くなる．このように周囲の磁場をゆがめてしまうため，例えば電子顕微鏡のレンズ部（これは電子線を磁場で曲げる部分を，光学顕微鏡に習いレンズと呼ぶ）など，磁場形状が重要な役割を果たす部位の近くには磁気シールドを設置しにくいことを意味する（出来ないわけではないが，影響を考える必要がある）．例えば，測定上何らかの磁場変調をかけながら，その磁場内に磁力を排除した測定系を作る，などということをやろうとすると，測定系に使用するシールドが周囲の磁場をゆがめてしまい，測定に必要な磁場が崩れてしまう，などと言うことにもなるわけだ．

今回著者らが報告しているのは，そんな「周囲の磁場をゆがめずに，内部を磁気的に遮蔽する構造」である．元々理論的にはどんな素材なら良いのかは提案されていたらしい．その内容は，「ある方向に磁場がかかると反磁性で，それと直交する方向の磁場には透磁率の高い材料」である．当たり前であるが，通常はそんな材料は存在しない．そこで今流行のマイクロサイズの複合材料の出番となる．
実際の構造はある意味非常に素直なものとなっている．まず，ポリイミドのフィルムを用意する．この片側に，小さな正方形状の鉛（これは極低温で超伝導相に転移する）の薄板をタイルのように隙間を空けて貼り付けていく（実際には，そういう構造になるように蒸着する）．そしてその裏側に，高透磁率の材料（パーマロイ．前出のMu Metalの仲間）を蒸着する．これが基本構造となるが，実際には鉛の正方形のサイズを変えたレイヤーをいくつも作り，貼り合わせている．
さて，このシートに垂直に磁場がかかったとする．すると鉛は超伝導であるから，この磁場はシートから弾き出される．その一方で，シート面内に磁場をかけると，蒸着されているパーマロイが磁場を良く通し，シート形状に沿って内部を磁束が通っていく．この異方性が，理論的に要求される特性と一致するわけである．

このシートをくるっと丸めて筒状にし，実際に磁場中に置いてやる．すると，外部磁場はほどほどに超伝導体によって反発されながらも，タイル状の鉛の隙間から内部に浸透し，そこで透磁率の高いパーマロイの層にトラップされそのままパーマロイ部分を通って裏側に抜ける．この円筒のごく近傍で磁場を測定してやると，円筒がない場合と全く同じ磁場が検出された．つまり，この円筒を置いた事による外部磁場の変形は無いわけだ．一方，円筒内では（鉛の超伝導が磁場で壊れるまでは）磁場が検出されず，外部磁場の遮蔽に成功していることもわかる．

「磁場中で，外部磁場を変形させずに磁場を遮蔽したい」なんてのはかなりニッチな領域であり，これが幅広く応用されるなんて事は（多分）無いんじゃないかと思うが，特殊な測定などの基礎研究部分では意外に使い道はありそうな気がする．結構面白い材料になるかも知れない．